東京理科大学先進工学部2024年第3問

先進工学
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先進工学部2024年第3問の問題文全文

(1) 定積分 \(\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{3}}\cos^2{t}dt\) を計算すると\(,\)

\begin{align}\int_0^{\frac{\pi}{3}}\cos^2{t}dt=\frac{~\fbox{$\hskip0.4emア\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}{~\fbox{$\hskip0.4emイ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}~\pi+\frac{~\fbox{$\hskip0.4emウ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}{~\fbox{$\hskip0.4emエ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}~\sqrt{~\fbox{$\hskip0.4emオ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}\end{align}

となる.

(2) 定積分 \(\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{3}}\sin^3{t}dt\) を計算すると\(,\)

\begin{align}\int_0^{\frac{\pi}{3}}\sin^3{t}dt=\frac{\fbox{$\hskip0.4emカ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}}{~\fbox{$\hskip0.4emキク\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}\end{align}

となる.

(3) 関数 \(f(x),~g(x)\) が

\begin{align}f(x)=\cos{x}+\int_0^{\frac{\pi}{3}}g(t)\sin{t}dt\end{align}

\begin{align}g(x)=\sin^2{x}+\int_0^{\frac{\pi}{3}}f(t)\cos{t}dt\end{align}

を満たすとする. このとき\(,\) 関数 \(f(x)\) は

\begin{align}f(x)=\cos{x}+\frac{\fbox{$\hskip0.4emケコ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}}{~\fbox{$\hskip0.4emサシス\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}+\frac{~\fbox{$\hskip0.4emセソ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}{~\fbox{$\hskip0.4emタチ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}~\sqrt{~\fbox{$\hskip0.4emツ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}+\left(\frac{\fbox{$\hskip0.4emテ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}}{~\fbox{$\hskip0.4emトナ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}+\frac{\fbox{$\hskip0.4em二\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}}{~\fbox{$\hskip0.4emヌネ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}~\sqrt{~\fbox{$\hskip0.4emノ\hskip0.4em\Rule{0pt}{0.4em}{0.4em}$}~}\right)\pi\end{align}

と書ける.

(1) の解答〜半角の公式で次数下げ〜

\begin{align}\int_0^{\frac{\pi}{3}}\cos^2{t}dt=\int_0^{\frac{\pi}{3}}\frac{1+\cos{2t}}{2}dt\end{align}

\begin{align}=\biggl[\frac{1}{2}t+\frac{1}{4}\sin{2t}\biggr]_0^{\frac{\pi}{3}}=\frac{1}{6}\pi +\frac{1}{8}\sqrt{3}~~~~\cdots \fbox{答}\end{align}

ア:1 イ:6 ウ:1 エ:8 オ:3

(2) の解答〜微分接触型は置換せずに処理〜

微分接触型の積分

\begin{align}\int f(g(x))g^{\prime}(x)dx=F(x)+C~(~C~は積分定数~)\end{align}

ただし\(,\) \(F(x)\) は \(f(x)\) の原始関数の \(1\) つ

\begin{align}\int_0^{\frac{\pi}{3}}\sin^3{t}dt=\int_0^{\frac{\pi}{3}}\sin{t}(1-\cos^2{t})dt\end{align}

quandle
quandle

\(f(x)=1-x^2,~g(x)=\cos{x}\) とすると\(,\)

\begin{align}f(g(x))g^{\prime}(x)=-\sin{x}(1-\cos^2{x})\end{align}

なので\(,\) 微分接触型になっていますね!

\begin{align}=\biggl[-\cos{t}+\frac{1}{3}\cos^3{t}\biggr]_0^{\frac{\pi}{3}}\end{align}

quandle
quandle

\(\displaystyle F(x)=x-\frac{1}{3}x^3\) に \(g(x)=\cos{x}\) を代入すればいいだけなので置換する必要なしです!

\begin{align}=\left(-\frac{1}{2}+1\right)+\left(\frac{1}{24}-\frac{1}{3}\right)=\frac{5}{24}~~~~\cdots \fbox{答}\end{align}

(3) の解答〜定数部分を置換して連立を解く〜

\begin{align}A=\int_0^{\frac{\pi}{3}}g(t)\sin{t}dt,~B=\int_0^{\frac{pi}{3}}f(t)\cos{t}dt\end{align}

とおく.

\begin{align}A=\int_0^{\frac{\pi}{3}}(\sin^2{t}+B)\sin{t}dt\end{align}

\begin{align}=\int_0^{\frac{\pi}{3}}\sin^3{t}dt+B\int_0^{\frac{\pi}{3}}\sin{t}dt\end{align}

\begin{align}=\frac{5}{24}+B\biggl[-\cos{t}\biggr]_0^{\frac{\pi}{3}}=\frac{5}{24}+B\left(-\frac{1}{2}+1\right)\end{align}

\begin{align}A=\frac{1}{2}B+\frac{5}{24}~~~~\cdots ①\end{align}

quandle
quandle

(2) の結果が使えるので少しだけ計算を省略できます!

\begin{align}B=\int_0^{\frac{\pi}{3}}(\cos{t}+A)\cos{t}dt\end{align}

\begin{align}=\int_0^{\frac{\pi}{3}}\cos^2{t}dt+A\int_0^{\frac{\pi}{3}}\cos{t}dt\end{align}

\begin{align}=\frac{\pi}{6}+\frac{\sqrt{3}}{8}+A\biggl[\sin{t}\biggr]_0^{\frac{\pi}{3}}\end{align}

\begin{align}B=\frac{\sqrt{3}}{2}A+\frac{\pi}{6}+\frac{\sqrt{3}}{8}~~~~\cdots ②\end{align}

quandle
quandle

(1) の結果が使えて少し楽になりましたね!さて\(,\) あとは①と②を連立すればいいのですが見るからに大変そうですね…式は煩雑でもやるべきことは一文字消去です. 丁寧にやりましょう!

① を ② に代入して\(,\)

\begin{align}B=\frac{\sqrt{3}}{2}\left(\frac{1}{2}B+\frac{5}{24}\right)+\frac{\pi}{6}+\frac{\sqrt{3}}{8}\end{align}

\begin{align}\left(1-\frac{\sqrt{3}}{4}\right)B=\frac{11\sqrt{3}}{48}+\frac{\pi}{6}\end{align}

\begin{align}B=\frac{11\sqrt{3}+8\pi}{48}\times \frac{4}{4-\sqrt{3}}=\frac{11\sqrt{3}+8\pi}{12(4-\sqrt{3})}\end{align}

① に代入して\(,\)

\begin{align}A=\frac{11\sqrt{3}+8\pi}{24(4-\sqrt{3})}+\frac{5}{24}\end{align}

\begin{align}=\frac{8\pi +20+6\sqrt{3}}{24(4-\sqrt{3})}=\frac{4\pi +10+3\sqrt{3}}{12(4-\sqrt{3})}\end{align}

\begin{align}=\frac{(4\pi +10+3\sqrt{3})(4+\sqrt{3})}{156}\end{align}

\begin{align}=\frac{(10+3\sqrt{3})(4+\sqrt{3})}{156}+\frac{4(4+\sqrt{3})}{156}\pi \end{align}

\begin{align}=\frac{49}{156}+\frac{11}{78}\sqrt{3}+\left(\frac{4}{39}+\frac{1}{39}\sqrt{3}\right)\pi ~~~~\cdots \fbox{答}\end{align}

ケ:4 コ:9 サ:1 シ:5 ス:6 セ:1

ソ:1 タ:7 チ:8 ツ:3 テ:4 ト:3

ナ:9 二:1 ヌ:3 ネ:9 ノ:3

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